LB-Y2型压裂液用防膨剂的合成与性能研究

刘海勇 LIU Hai-yong

（中海油服油田生产事业部，天津 300452）

（COSL Oilfield Production Department，Tianjin 300452，China）

0 引言

水力压裂时，压裂液会使各个表层面的性质发生质的改变。因此，在进行该过程的时候，水相与粘土矿物的接触，就会引起粘土矿物的水化膨胀和发散，甚至降低储集层的渗透效果，严重的还会将孔道堵住，这样对压裂处理的效果产生极大的影响。

因此，在进行作业的时候，压裂液渗透到地层就会改变水敏性岩石表面的物性；其液相部分会与粘土矿物发生接触，也会引起粘土矿物发生水化膨胀、分散运移，堵塞储集层中的孔隙，降低油层渗透率产生的伤害，同时还会给后期的压裂效果造成极大的影响。为了解决该问题，就需要在压裂液体系中加入粘土稳定剂，它可以吸附在粘土表面上的水化膨胀和分散运动，因此粘土稳定剂是该压裂液体系的重要组成部分。

1 粘土稳定剂的理论研究

粘土稳定剂可以抑制粘土矿物的水化膨胀和分散运移的原理是它可以吸附在粘土表面从而降低粘土表面的负电性。粘土稳定剂可以利用两种途径来实现这个目的，其一就是通过中和粘土表面负电性，抑制其膨胀；其次就是改变粘土矿物表面的润湿性，抑制地层水或其它进入粘土层间结构。每一种粘土稳定剂与粘土的作用机理各不相同，使用时需要按照实际情况选用。常用的粘土稳定剂有以下几类：

1.1 无机盐 无机盐类粘土稳定剂是目前最主要的粘土稳定剂类型，它具有作用明显、成本低以及货源广等特点。无机盐在水中解离，产生的阳离子可以在更近的距离将粘土表层的负电全部中和，以此减小粘土片结构间产生的静电相斥的反映，使粘土膨胀受到一定的抑制。此类粘土稳定剂虽然有很多优点，但是却具有较短的作用周期和不耐水冲刷的弊端，在实际施工时用量较大。

1.2 表面活性剂 表面活性剂类具有很好的防膨效果。它可分为非离子表面活性剂类和阳离子表面活性剂类，其中后者带有的正电荷与粘土晶层间的阳离子发生交换吸附，形成一层寖油有机层，从而有效阻止水分子进入，达到抑制粘土矿物水化膨胀的效果。但是它们同时会导致储层岩石的表面发生润湿反转，而且会降低油相渗透率，减少产量。

1.3 阳离子型共聚物 阳离子型聚和物在压裂液中较为广泛使用，主要包括聚胺和聚季胺类聚合物。阳离子型共聚物的分子链上带有大量的正电荷，足以中和粘土矿物表面所带的负电性，并且可以同时吸附在多个粘土片状结构上，而且吸附力极强，使得机构变得十分牢固；由于它们都是多点吸附，因此几乎不可能被低价阳离子取代并脱附下来。所以它们具有长效性，也不存在润湿反转问题。但是，由于阳离子聚合物分子链较长，对于渗透效果不好的地层，可能会造成孔隙喉道堵塞。因此，要慎重使用该类型的粘土稳定剂。

2 粘土稳定剂的合成与评价

2.1 粘土稳定剂的合成 将二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）和丙烯酰胺（AM）按一定的摩尔比加入到装有温度计、搅拌器的三口烧瓶中，并添加一定量的蒸馏水。搅拌至充分溶解后，加入一定量过硫酸钾来引发聚合反应；通氮去氧30min后，将其置于60℃的恒温水浴中，反应3～4h。制得略有腥味的淡黄色粘稠液体。DMDAAC和AM聚合反应时可生成具有五元环或六元环结构的阳离子型共聚LB-Y2，反应式如下：

2.2 防膨性能研究 分别配成浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的粘土稳定剂LB-Y2，通过ZNP-1膨胀量测定仪测定人造岩心在不同浓度的粘土稳定剂LB-Y2中24h后防膨率和膨胀率的变化情况，考察浓度对其防膨性能的影响。见图1。

图1 LB-Y2型浓度对防膨性能的影响

由图1可见，随着粘土稳定剂LB-Y2的浓度逐渐增加，人造岩心的膨胀率也明显降低被抑制，但是防膨胀率却显著提高。当浓度大于1.5%时，膨胀率变化趋势呈现缓慢减小的状态；当浓度为2.0%－3.0%时，防膨效果可以达到最佳。综合实际情况考虑，1.0%浓度的粘土稳定剂LB-Y2已经可以满足现场需要，人造岩心膨胀率仅为15.3%，防膨率高达73.9%。

通过上述实验方法，分别测得阳离子共聚物PTE、氯化钾在不同浓度下的防膨率。以2.0%KCl溶液作为阳离子共聚物防膨性能的参照标准。向ZNP-1页岩膨胀量测定仪中分别加入200ml蒸馏水、2.0%KCl溶液、1.0%粘土稳定剂PTE、1.0%粘土稳定剂LB-Y2，然后分别测定24h后人造岩心在这些粘土稳定剂中的膨胀高度变化情况。见图2。

图2 人造岩心24h膨胀高度变化曲线

由图2可得，0～12h人造岩芯膨胀变化趋势显著，随着时间推移和增加，膨胀变化趋势趋于平缓；蒸馏水、2.0%KCl溶液、1.0%粘土稳定剂PTE、1.0%粘土稳定剂LB-Y2在24h膨胀高度分别为0.351mm、0.179mm、105mm、94mm。相比于氯化钾溶液，粘土稳定剂LB-Y2能够更为有效地抑制粘土矿物水化膨胀；而且防膨性能也优于同类的阳离子共聚物粘土稳定剂PTE，由此可见DMDAAC-AM共聚物是一种性能优良的粘土稳定剂。

2.3 耐温、抗盐性能研究 在油田开发的过程中，粘土稳定剂在高温环境下的防膨效果依然稳定。配制200ml浓度为1.0%粘土稳定剂LB-Y2，置入不锈钢罐内。使用XGRL-3滚子加热炉，分别设置在 80℃、100℃、120℃下滚动24h。待降至30℃后，测定其24h后静态膨胀变化情况。通过热滚动实验评价其抗温性能。如表1所示。

表1 温度对LB-Y2型防膨性能的影响

由表1可得，随着温度的不断提升，人造岩心的膨胀率会有小幅度的升高。当温度升高到120℃时，人造岩心的膨胀率为19.8%，仅比30℃时提高4.5%，表明粘土稳定剂LB-Y2型具有很好的耐热性能，可以更好适用于高温地层。

当面临高矿化地层情况时，粘土稳定剂需要具有一定的抗盐性，通过模拟地层矿化度条件来评价粘土稳定剂的抗盐性能。配置3组200ml浓度为1.0%粘土稳定剂LB-Y2，分别加入一定量的 NaCl、CaCl2、MgCl2，测定 12h后人造岩心的膨胀量和静态膨胀率。

表2 NaCl含量对LB-Y2防膨性能的影响

表3 CaCl2含量对LB-Y2防膨性能的影响

表4 MgCl2含量对LB-Y2防膨性能的影响

通过分析表1-4数据，我们得出的结论为：随着溶液含盐量的不断增加，就会对防膨率产生一定的影响；由此可见粘土稳定剂LB-Y2型在高矿化度的水溶液中，依然能保持相当好的防膨性能。

2.4 岩心渗透率的影响 通过岩心流动实验，模拟地层渗透率条件；选取两块不同渗透率的天然岩心，依次注入一定量的2.0%KCl溶液、1.0%LB-Y2型防膨剂、蒸馏水，测定LB-Y2防膨剂对不同渗透率岩心的伤害率。如表5所示。

表5 LB-Y2对天然岩心渗透率的影响

由表5不难看出，粘土稳定剂LB-Y2对于天然岩心的伤害率一般控制在20%以内，岩心渗透率的恢复值却能够高达80%，这样能够有效保护油气的各个层面，是一种性能优良的粘土稳定剂。

3 总结

①压裂液体系选用阳离子型共聚物作为粘土稳定剂，具有十分有效的防膨效果，其优点是作用周期长，用量少，耐酸、碱和盐，耐水冲刷，效果好、无毒、伤害低等。

②合成的共聚物粘土稳定剂LB-Y2防膨性能明显优于氯化钾溶液和同类阳离子共聚物粘土稳定剂PTE；随着LB-Y2型浓度的增加，防膨效果越好，1.0%浓度下膨胀率仅为11.3%，防膨率高达80%。

③120℃热滚动12h防膨性能稳定，人造岩心的膨胀率19.8%，仅提高4.5%，耐热性能良好。针对地层水高矿化情况，将粘土稳定剂LB-Y2置于不同含盐量的NaCl、CaCl2、MgCl2溶液中，均显示出了较好的抗盐性能。

④对天然岩心渗透率影响不大，伤害率低于20%，岩心渗透率恢复值高达80%，能够有效保护油气储层。

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